Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

アクチュエータ / 圧電アクチュエータ / 超音波モータ / リニアモータ / マイクロモータ / 弾性表面波素子 / 摩擦駆動 / MEMS / 圧電デバイス / 弾性表面波 / 進行波 / 超音波 / 圧電材料 / マイクロマシン / トライボロジー / レイリー波

固体表面付近に振動エネルギーが集中して伝わっていく弾性表面波（レイリー波）を用いた超音波モータの研究を行っている。弾性表面波基板には，ニオブ酸リチウム（128°回転Y板）をステータとして用いている。しかし，摩擦力で駆動をおこなう弾性表面波モータにおいては，ニオブ酸リチウムの耐摩耗性が問題となり，実用化する上での障害となっている。そこで，振動の励振にはニオブ酸リチウム素子をもちい，励振された振動をサファイア基板に接触伝搬させることで，耐摩耗性の高いサファイアを摩擦駆動面として用いる新しい振動子の構成について実験的に研究を行い，サファイア基板面にレイリー波を励振できることを示した。

サファイアと同じ組成であるアルミナ・セラミクスを摩擦材として実用化された超音波モータでは，動作距離10,000km（推定10,000時間）の寿命を実現している。アルミナ・セラミクスの単結晶材料であるサファイアを摩擦駆動部に用いることで高い耐久性が期待できる。振動発生部には，単結晶ニオブ酸リチウムを用いることで高いパワー密度を実現し，摩擦駆動部には，耐摩耗性と機械強度に優れた単結晶サファイアを用いることで高い耐久性を目指しているのが，本弾性表面波モータである。

超音波 / 超音波モータ / 摩擦駆動 / 潤滑 / 潤滑油 / 効率 / トルク / 圧電素子 / 圧電振動子

超音波振動でロータを摩擦駆動する超音波モータは、大きなトルク-重量比が得られるため、ロボット用途などに期待される。しかし、振動による摩擦制御の動作が不十分なため、効率は50％以下、寿命は高々数千時間であった。
本研究では、超音波モータの摩擦駆動部に潤滑油を導入し、振動による潤滑特性の動的変化を積極的に活用することで、複合振動子型超音波モータの効率を70％程度まで引き上げた。これは、駆動力に寄与しない振動の負の半周期に残留する摩擦力を流体潤滑により低減し、正の半周期では境界潤滑により必要な駆動力を発生できるためと考えられる。潤滑油の性質やロータ接触面の材質・形状などの影響も実験的に検討した。

超音波 / 超音波モータ / 超音波アクチュエータ / 圧電アクチュエータ / 多自由度 / 圧電素子 / マイクロアクチュエータ / アレイ

基板上に微小な多自由度超音波モータを多数製作するための技術の構築とそのアレイ化された多自由度超音波モータの駆動方法・制御方法の開発を行い、その応用を開拓することを本研究の目的としている。このことが実現できると、薄型2次元ステージや、物体の2次元搬送装置への応用が期待される。また、面発光素子アレイ、マイクロレンズアレイなどの面に分布した光学マイクロデバイスと本アクチュエータアレイを積層することで、高機能なマイクロ光デバイスへの発展が望まれる。
本研究では、以下の成果を得た。
1.基板上へ多自由度モータを構成する方法として片端固定の円柱に2方向のたわみ振動と縦振動を励振する構造を考案し、従来より簡易な構成で多自由動作を実現した。また、この円柱の共振周波数設計を行い単素子モータの動作検証を行った。
2.2×2の4素子アレイの試作を行なって、各素子の動作を確認した。
3.4素子アレイの上に平板を置くことで、2次元3自由度ステージへの応用できることを示し、その動作特性を評価した。
4.各素子を独立に動作させようとする場合、素子間の振動結合が問題になることを見出し、その低減手法を検討した。振動子間に溝を設ける方法などについて有限要素法により効果を検証した。
5.大規模アレイを実現する方法を考案した。基板作成方法、給電のための配線パターン設計を行った。

アクチュエータ / 超音波モータ / 圧電 / 弾性表面波 / MEMS / マイクロアクチュエータ / 超音波 / レイリー波 / 弾性表表面波

弾性表面波モータの環流型ステータ電極の設計について電極設計と配置に関するシミュレータを構築し検討を進めた。反射器の周波数特性の設計値からのずれが,環流特性に大きな影響を及ぼしうることを見いだし,その精細な設計が必要とされることがわかった。環流する波の位相ずれによる環流電力の低下につても計算を行い,数10°の位相回転により環流電力が極端に低下してしまうことを明らかにした。また,モータの動作特性を考えると,駆動電極配置が非対称に配置されている現状のデザインから,対称な配置への変更が可能であるかどうかの検討を進めた。このために,まずは,駆動用IDTと反射電極の基本的な特性を再検討し,反射電極と駆動用IDTとの共振周波数のずれについて,どの程度の誤差が発生しているかを確かめ,その差を小さくすることにより,設計精度を上げるようにした。これらの検討を通し,これまで2つの駆動電極が片側の環流電極近くにおかれた非対称な構造であることに起因した,駆動方向による特性のばらつきを無くすとともに,環流特性に対しても改善を行うように設計をすることの検討を進め,設計上の問題点を明らかにした。
スライダ直下を伝搬するレイリー波の位相ずれを極力少なくするためには,位相変化が起こる原理と発生過程を詳細に把握するため,有限要素法による時間応答解析を試みた。シミュレーションの結果,スライダ突起による位相散乱が,スライダへの予圧により大きく変化する様子が再現された。さらに,その定量的な関係について検討を進めるとともに,動作解析からの検討も加えて,そのメカニズムについて考察を行った。その結果,波動の散乱に関しては,突起がステータ面と接触/離脱を繰り返すことにより,周期的な力を受けることで加振されていると考えられ,突起があることにより散乱波が放射することは,ほぼ避けられないのではないかとの見解に至った。また,突起があることで,位相の乱れも大きいことが考えられた。一つの解決策としては,突起を無くした平面のスライダにより動作を実現することが妥当ではないかとの考えに至った。その場合にはスクイーズ膜の影響を緩和するためにスリットを付け,突起を無くしたスライダの安定的な動作条件を検討していく必要があることを今後の課題とした。

【研究協力者】
Wei Qiu	Technical University of Denmark	Post-doctoral fellow

【研究分担者】
上羽貞行	東京工業大学	精密工学研究所	教授	(Kakenデータベース)